剪應(yīng)力作用下巖體裂隙滲流特性研究

1、無(wú)剪應(yīng)力作用下巖體裂隙滲流特性研究無(wú)剪應(yīng)力作用下巖體裂隙滲流特性研究摘要:通過(guò)對(duì)規(guī)則、均勻、粗糙裂隙的滲流剪切實(shí)驗(yàn)，結(jié)合裂隙面受剪時(shí)的力學(xué)機(jī)理，研究了巖體裂隙在剪切荷載作用下的滲流特性，并對(duì)裂隙剪縮階段過(guò)流能力的變化進(jìn)行了探討。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，剪切荷載作用下，裂隙在剪動(dòng)前滲透性隨剪應(yīng)力的增加而降低，且滲透系數(shù)與剪應(yīng)力有十分明顯的線性關(guān)系。關(guān)鍵詞：滲流力學(xué)，巖體裂隙，滲流，剪應(yīng)力1. 前言裂隙巖體的水力學(xué)特性對(duì)巖土工程活動(dòng)產(chǎn)生重要影響，如石油、地?zé)衢_(kāi)采、化學(xué)物品、核廢料的埋藏、礦井設(shè)計(jì)等，都不可避免地涉及到裂隙水運(yùn)動(dòng)的問(wèn)題。如何有效地防止和利用裂隙水，弄清巖體中裂隙的滲流特性是必要的。巖體裂隙的滲

2、流特性受應(yīng)力、變形以及裂隙面幾何參數(shù)的影響， 正確把握裂隙巖體的固-液耦合特性， 對(duì)于地下水運(yùn)動(dòng)的預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)、洞室開(kāi)挖的穩(wěn)定性評(píng)價(jià)、預(yù)防人為誘發(fā)地震等均有很大的幫助。近年來(lái)，關(guān)于裂隙巖體滲流特性的研究已取得了很大的進(jìn)展。目前，基于平行板模型導(dǎo)出的立方定律已廣為巖土工程界所接受，許多學(xué)者進(jìn)一步對(duì)立方定律的有效性做了大量研究，提出在考慮粗糙度的基礎(chǔ)上，可用一系數(shù)對(duì)立方定律進(jìn)行修正13。有關(guān)法向應(yīng)力作用下，裂隙的滲流特性也進(jìn)行了相當(dāng)多的實(shí)驗(yàn)工作46。但是，對(duì)裂隙巖體滲流與剪應(yīng)力耦合作用所做的研究很少。 一方面， 剪應(yīng)力作用下裂隙面幾何特征的變化比法向應(yīng)力作用下更為復(fù)雜；另一方面，實(shí)驗(yàn)難度大。目前，有關(guān)

3、的工作集中在 2 個(gè)方面：裂隙面受剪的力學(xué)機(jī)理研究和滲流-剪應(yīng)力耦合機(jī)理研究。 前者結(jié)合裂隙面形態(tài)， 考慮不同法向應(yīng)力作用下，研究裂隙面剪應(yīng)力與剪切變形的關(guān)系， 以及剪脹效應(yīng)對(duì)裂隙力學(xué)隙寬的影響。 后者研究剪切荷載作用下，裂隙面受力與變形對(duì)滲流的影響，進(jìn)而找出剪應(yīng)力與滲流的耦合機(jī)理。巖體裂隙剪切機(jī)理是滲流與剪應(yīng)力耦合研究的基礎(chǔ)，文7通過(guò)對(duì)一組相同裂隙面在不同方向的剪切特性研究指出， 裂隙的剪切力學(xué)性質(zhì)與裂隙面的幾何特征密切相關(guān)， 不同剪切方向所得到的剪切特性是相似的，但主要參數(shù)如峰值剪切強(qiáng)度、殘余強(qiáng)度、剪脹率及峰值強(qiáng)度位移等因剪切方向不同而不同。文8研究了齒形粗糙裂隙受剪時(shí)的破壞機(jī)理，認(rèn)為對(duì)于

4、規(guī)則均勻的粗糙裂隙面，剪切荷載作用下，裂隙面呈脆性，且裂隙面難以剪動(dòng)；而天然不規(guī)則裂隙面呈延性，抗剪強(qiáng)度小。文9研究了 2 個(gè)不同傾斜角度突起的剪切特性后認(rèn)為，剪切荷載作用下，裂隙面上的各個(gè)粗糙突起漸次發(fā)揮作用，自然裂隙面的剪應(yīng)力-剪切位移曲線可由裂隙面上單個(gè)突起的剪切曲線疊加而成。這些研究表明，裂隙巖體受剪時(shí)，裂隙面粗糙度是影響其剪切特性的主要因素。對(duì)于裂隙滲流-剪應(yīng)力的耦合作用，文10做了方形試件的幅向流剪切實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，剪切位移作用下裂隙面被剪脹，隨著剪切位移的進(jìn)一步增加，剪脹趨勢(shì)變緩，剪切位移作用下，裂隙滲透系數(shù)的變化與剪脹特性是一致的。文11對(duì)軟巖裂隙的剪切實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，剪切位

5、移的增加，導(dǎo)致裂隙滲透性的降低。文12研究了不同粗糙裂隙的滲流剪切實(shí)驗(yàn)，得出滲透系數(shù)隨剪切位移增加的曲線。目前， 有關(guān)滲流-剪應(yīng)力耦合作用的研究基本上是圍繞不規(guī)則粗糙裂隙面進(jìn)行的， 實(shí)驗(yàn)所給出的剪切位移都在毫米級(jí)以上， 甚至是厘米級(jí)， 所得的成果主要是關(guān)于裂隙面剪脹后滲透系數(shù)或隙寬隨剪切位移的變化關(guān)系，對(duì)于裂隙面剪動(dòng)前剪應(yīng)力對(duì)滲流的影響沒(méi)有詳盡的描述。本文用砂粒模擬均勻的人工粗糙裂隙，探討了剪動(dòng)前在剪應(yīng)力作用下裂隙的滲流特性。2. 實(shí)驗(yàn)2.1 試件本文所用試件采自大冶鐵礦結(jié)構(gòu)致密的大理巖(容重 26.6kN/m3、單軸抗壓強(qiáng)度52.4MPa)，試件為圓盤(pán)形，直徑 290mm，高 200mm，如

6、圖 1 所示，上、下面裂隙面均打磨光滑，在其上均勻鋪上一層篩選過(guò)的細(xì)砂(粒徑 0.500.69mm)并用 502 膠膠結(jié)。試無(wú)件采用中心孔進(jìn)水，進(jìn)水孔孔徑為 5mm；同時(shí)，上盤(pán)裂隙面距中心孔 10mm 對(duì)稱的鉆有 4孔，孔徑 10mm，4 孔在上盤(pán)表面并聯(lián)于測(cè)壓管上。2.2 剪切實(shí)驗(yàn)裝置實(shí)驗(yàn)所用的壓剪滲透裝置可分別施加和控制法向應(yīng)力和剪應(yīng)力。試件上、下盤(pán)分別用鋼箍錨固，上盤(pán)和垂直千斤頂固定在框架上，使得上盤(pán)只能在垂直方向運(yùn)動(dòng)；下盤(pán)擱置在滾動(dòng)支座上， 下盤(pán)和滾動(dòng)支座之間有良好的滾動(dòng)性， 其摩阻系數(shù)遠(yuǎn)小于裂隙面摩阻系數(shù)以及上盤(pán)和垂直千斤頂間的摩阻系數(shù)， 這樣， 剪應(yīng)力由于下盤(pán)和滾動(dòng)支座間的摩擦引起

7、的誤差可以忽略。2.3 加載與測(cè)量裂隙面法向應(yīng)力和剪應(yīng)力分別由垂直千斤頂和水平千斤頂來(lái)施加，并由 2 塊精密壓力表測(cè)荷載大小。 實(shí)驗(yàn)前對(duì)千斤頂進(jìn)行了標(biāo)定， 實(shí)際值/測(cè)量值的標(biāo)定值為： 1/2.3(垂直千斤頂)，1/24(水平千斤頂)。在試件上、下盤(pán)跨越裂縫對(duì)稱架設(shè) 4 塊垂直千分表，試件裂隙隙寬的變化可以通過(guò)千分表值的變化表現(xiàn)出來(lái)。 同時(shí)， 在垂直于剪應(yīng)力方向?qū)ΨQ架設(shè) 2 塊水平千分表測(cè)裂隙的剪切位移。實(shí)際的隙寬變化值和剪切位移值均取其所測(cè)數(shù)據(jù)的平均值。實(shí)驗(yàn)采用水箱供水， 水箱高度可以任意調(diào)節(jié)以便改變?nèi)霛B水頭， 水箱上開(kāi)有 3 個(gè)孔(進(jìn)水孔、出水孔和水位平衡孔)。實(shí)驗(yàn)時(shí)，調(diào)節(jié)進(jìn)水孔處水流大小，

8、使得水位平衡孔有不間斷的不飽和流，以保證實(shí)驗(yàn)過(guò)程中測(cè)壓管水頭的穩(wěn)定，此時(shí)，水箱水位即在水位平衡孔處。實(shí)驗(yàn)所取得的水頭值以測(cè)壓管水頭為準(zhǔn)(測(cè)壓管附有標(biāo)尺)。2.4 實(shí)驗(yàn)步驟實(shí)驗(yàn)共做了 5 級(jí)水頭(30，55，78，102，130cm)。開(kāi)始時(shí)，將水箱調(diào)節(jié)到預(yù)定高度，然后施加某級(jí)法向荷載(按 0.214，0.414，0.614，0.814MPa 的順序施加)，測(cè)得零剪應(yīng)力狀態(tài)下的穩(wěn)定流量。施加某級(jí)剪應(yīng)力(0.050.30MPa)，測(cè)得相應(yīng)的穩(wěn)定流量值和各千分表的讀數(shù)，然后施加下一級(jí)剪應(yīng)力。3. 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析3.1 滲流理論巖體裂隙的水力學(xué)性質(zhì)與裂隙的幾何特征密切相關(guān)， 裂隙隙寬、 粗糙度對(duì)其滲透

9、性有很大影響。目前，單裂隙平行板水力模型在裂隙滲流研究中運(yùn)用得最為廣泛，它定性地描述了裂隙過(guò)流能力與隙寬的關(guān)系，即通常所謂的立方定律：無(wú)式中： Q 為流量； K 為滲透系數(shù)； C 為與試件尺寸有關(guān)的參數(shù)， 對(duì)于幅向流，分別為試件的外徑和內(nèi)徑；e 為隙寬；H 為入滲水頭；為運(yùn)動(dòng)粘滯性系數(shù)；g 為重力加速度。通常，自然裂隙都是粗糙不平的，在考慮粗糙度的情況下，式(1)，(2)可改寫(xiě)成：式中：eh 為水力隙寬。這樣，即可建立滲透系數(shù)與流量的關(guān)系：3.2實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析3.2.1 實(shí)驗(yàn)結(jié)果13，14(1)滲透系數(shù)與剪應(yīng)力根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)繪出恒定法向應(yīng)力(剪應(yīng)力為零)條件下，裂隙流量與入滲水頭的關(guān)系曲線如圖

10、2(a)所示。文中滲壓最大值只有 0.012MPa，相對(duì)于法向應(yīng)力來(lái)說(shuō)可以忽略，也即入滲水頭對(duì)裂隙法向有效應(yīng)力的影響很小， 此時(shí)， 由于法向有效應(yīng)力的改變引起滲透系數(shù)的改變從而導(dǎo)致流量的變化很小，相對(duì)于入滲水頭直接對(duì)流量產(chǎn)生的影響可以忽略。因此，在討論圖 2(a)中流量與入滲水頭關(guān)系時(shí)，可以不考慮法向有效應(yīng)力的變化對(duì)流量的影響。從圖 2(a)可以看出，各級(jí)法向應(yīng)力下裂隙流量與入滲水頭近似呈線性關(guān)系。Q-H的這種線性關(guān)系，說(shuō)明了實(shí)驗(yàn)過(guò)程中裂隙水的運(yùn)動(dòng)特性符合達(dá)西定律，則式(4)，(5)對(duì)本文的實(shí)驗(yàn)結(jié)果是適用的。把實(shí)驗(yàn)參數(shù) D=29cm，d0=3cm，=0.00898cm2/s 代入式(5)，有根

11、據(jù)式(6)即可求出不同水頭、法向應(yīng)力和剪應(yīng)力下的滲透系數(shù)值。繪出 Kh-曲線如圖2(b)(f)所示。從圖 2(b)(f)可以看出，法向應(yīng)力對(duì)裂隙的滲透性有明顯的影響，隨著法向應(yīng)力的增加，裂隙的滲透性降低。剪應(yīng)力對(duì)裂隙滲透性的影響沒(méi)有法向應(yīng)力顯著，裂隙滲透系數(shù)隨剪應(yīng)力的增加而降低，但降低的幅度比較有限，滲透系數(shù)-剪應(yīng)力曲線有較好的線性關(guān)系。(2)隙寬與剪應(yīng)力實(shí)驗(yàn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，裂隙面剪動(dòng)前裂隙隙寬隨剪應(yīng)力呈遞減趨勢(shì)，文中取水頭為 55cm時(shí)不同法向應(yīng)力下的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，繪出隙寬減小量與剪應(yīng)力的曲線如圖 3 所示。分析圖 3，法向應(yīng)力恒定時(shí)，剪應(yīng)力作用下裂隙隙寬減小，裂隙被剪縮，但隙寬的減小無(wú)僅有幾微米，

12、而且隙寬的減小量與剪應(yīng)力符合線性關(guān)系。3.2.2 分析本文實(shí)驗(yàn)所施加的剪切荷載都較小，從裂隙隙寬和流量隨剪應(yīng)力增加而減小這一特征來(lái)看，裂隙面處于彈性階段15，16。根據(jù) Barton 公式3：式中：he 為水力隙寬，E 為力學(xué)隙寬，JRC 為裂隙面粗糙系數(shù)。當(dāng)隙寬有的微量變化時(shí)，有此時(shí)，裂隙滲透系數(shù)可表示為根據(jù)式(3)對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析可知，裂隙水力隙寬為 120190m?？梢?jiàn)，隙寬減小量相對(duì)于初始力學(xué)隙寬是一個(gè)微量。同時(shí)，由于裂隙面處在彈性階段，裂隙面形態(tài)可以認(rèn)為是不變的，即 JRC=const，忽略高階微量，于是式(9)可化為即式中：為一個(gè)與裂隙面形態(tài)有關(guān)的常量。式(11)表明，滲透系數(shù)

13、Kh 與力學(xué)隙寬的變化量呈線性關(guān)系。至此，結(jié)合剪應(yīng)力、滲透系數(shù)及隙寬變化量三者的關(guān)系可以看出，對(duì)于規(guī)則、均勻的粗糙裂隙面來(lái)說(shuō)，裂隙面受剪后至剪動(dòng)前的這一過(guò)程中，隨著剪應(yīng)力的增加，裂隙隙寬減小，裂隙的滲透性降低，裂隙滲透系數(shù)與剪應(yīng)力的關(guān)系可以用線性來(lái)描述。無(wú)4. 結(jié)語(yǔ)已有的研究表明，裂隙在剪脹階段滲透性的變化相當(dāng)顯著，滲透系數(shù)甚至?xí)霈F(xiàn)數(shù)量級(jí)方面的變化10，12，而裂隙面在剪縮階段呈彈性狀態(tài)，所承受的剪切荷載遠(yuǎn)小于其抗剪峰值強(qiáng)度，裂隙面的變形很小，這就決定了剪應(yīng)力對(duì)裂隙滲透性的影響不會(huì)很大。從本文的實(shí)驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，裂隙滲透系數(shù)隨剪應(yīng)力的增加而降低，但降低的幅度有限，此時(shí)裂隙隙寬也略有減小。裂隙面剪

14、動(dòng)前，裂隙滲透系數(shù)與剪應(yīng)力之間可用線性關(guān)系來(lái)描述是合理的。5.參考文獻(xiàn)：1Lomize G M. Glow inFracturedRocksM.Mosoc：Gesenergoizdat，19512LouisC.Astudyofgroundwaterflowinjointedrockanditsinfluenceonthestabilityofrockmasses(RockMech.Res.Rep.10)R.London：Imp.Coll.，1969無(wú)3BantonN，BandisS，BakhtarK.Strength，deformationandconductivitycouplingofro

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